Rozdziaª 13. Przykªadowe projekty zaliczeniowe

Podobne dokumenty
Interpolacja Lagrange'a, bazy wielomianów

LZNK. Rozkªad QR. Metoda Householdera

Numeryczne zadanie wªasne

Ukªady równa«liniowych - rozkªady typu LU i LL'

Liniowe zadania najmniejszych kwadratów

1 Metody iteracyjne rozwi zywania równania f(x)=0

Rozdziaª 7. Rozwi zywanie równa«nieliniowych. 7.1 Funkcja octave'a fzero()

ANALIZA NUMERYCZNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

Interpolacja funkcjami sklejanymi

Zadania i scenariusze zaj z laboratorium komputerowego do wykªadu z Matematyki Obliczeniowej. Leszek Marcinkowski

Funkcje, wielomiany. Informacje pomocnicze

Wykªad 7. Ekstrema lokalne funkcji dwóch zmiennych.

1 Przypomnienie wiadomo±ci ze szkoªy ±redniej. Rozwi zywanie prostych równa«i nierówno±ci

1 Bª dy i arytmetyka zmiennopozycyjna

1. Przedstaw w postaci algebraicznej liczby zespolone: 2. Narysuj zbiory punktów na pªaszczy¹nie:

Janusz Adamowski METODY OBLICZENIOWE FIZYKI Zastosowanie eliptycznych równa«ró»niczkowych

Równania ró»niczkowe I rz du (RRIR) Twierdzenie Picarda. Anna D browska. WFTiMS. 23 marca 2010

Arytmetyka zmiennopozycyjna

Informacje pomocnicze

WBiA Architektura i Urbanistyka. 1. Wykonaj dziaªania na macierzach: Które z iloczynów: A 2 B, AB 2, BA 2, B 2 3, B = 1 2 0

Aproksymacja funkcji metod najmniejszych kwadratów

Caªkowanie numeryczne - porównanie skuteczno±ci metody prostokatów, metody trapezów oraz metody Simpsona

Metody numeryczne i statystyka dla in»ynierów

ARYTMETYKA MODULARNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

Liniowe równania ró»niczkowe n tego rz du o staªych wspóªczynnikach

1 Granice funkcji wielu zmiennych.

Macierze i Wyznaczniki

Vincent Van GOGH: M»czyzna pij cy li»ank kawy. Radosªaw Klimek. J zyk programowania Java

AM II /2019 (gr. 2 i 3) zadania przygotowawcze do I kolokwium

Funkcje wielu zmiennych

Funkcje wielu zmiennych

Ekonometria. wiczenia 1 Regresja liniowa i MNK. Andrzej Torój. Instytut Ekonometrii Zakªad Ekonometrii Stosowanej

a) f : R R R: f(x, y) = x 2 y 2 ; f(x, y) = 3xy; f(x, y) = max(xy, xy); b) g : R 2 R 2 R: g((x 1, y 1 ), (x 2, y 2 )) = 2x 1 y 1 x 2 y 2 ;

Egzamin test GRUPA A (c) maleje na przedziale (1, 6). 0, ,5 1

Listy Inne przykªady Rozwi zywanie problemów. Listy w Mathematice. Marcin Karcz. Wydziaª Matematyki, Fizyki i Informatyki.

Wst p do sieci neuronowych 2010/2011 wykªad 7 Algorytm propagacji wstecznej cd.

2. L(a u) = al( u) dla dowolnych u U i a R. Uwaga 1. Warunki 1., 2. mo»na zast pi jednym warunkiem: L(a u + b v) = al( u) + bl( v)

Interpolacja wielomianowa i splajnowa

Egzamin z Metod Numerycznych ZSI, Grupa: A

3. (8 punktów) EGZAMIN MAGISTERSKI, Biomatematyka

Macierze i Wyznaczniki

Matematyka 1. Šukasz Dawidowski. Instytut Matematyki, Uniwersytet l ski

Informacje pomocnicze:

Zadania z analizy matematycznej - sem. II Ekstrema funkcji wielu zmiennych, twierdzenia o funkcji odwrotnej i funkcji uwikªanej

Funkcja kwadratowa, wielomiany oraz funkcje wymierne

XVII Warmi«sko-Mazurskie Zawody Matematyczne

Bash i algorytmy. Elwira Wachowicz. 20 lutego

Kolokwium Zadanie 1. Dla jakich warto±ci parametrów a i b funkcja sklejona

Interpolacja funkcji

Metody Numeryczne Wykład 4 Wykład 5. Interpolacja wielomianowa

ZADANIA. Maciej Zakarczemny

Arkusz 4. Elementy geometrii analitycznej w przestrzeni

Temat: Co to jest optymalizacja? Maksymalizacja objętości naczynia prostopadłościennego za pomocą arkusza kalkulacyjngo.

Lab. 02: Algorytm Schrage

Zadania z PM II A. Strojnowski str. 1. Zadania przygotowawcze z Podstaw Matematyki seria 2

Analiza Matematyczna MAT1317

Przykªady problemów optymalizacji kombinatorycznej

Zadania z z matematyki dla studentów gospodarki przestrzennej UŠ. Marek Majewski Aktualizacja: 31 pa¹dziernika 2006

Metody numeryczne. Wst p do metod numerycznych. Dawid Rasaªa. January 9, Dawid Rasaªa Metody numeryczne 1 / 9

Wektory w przestrzeni

Egzamin maturalny z matematyki Poziom podstawowy ZADANIA ZAMKNI TE. W zadaniach od 1. do 25. wybierz i zaznacz na karcie odpowiedzi poprawn odpowied.

Arkusz maturalny. Šukasz Dawidowski. 25 kwietnia 2016r. Powtórki maturalne

Pakiety Matematyczne MAP1351W,P

Rozwi zanie równania ró»niczkowego metod operatorow (zastosowanie transformaty Laplace'a).

2 Liczby rzeczywiste - cz. 2

Funkcja kwadratowa. f(x) = ax 2 + bx + c = a

Funkcja kwadratowa. f(x) = ax 2 + bx + c,

Metody numeryczne i statystyka dla in»ynierów

Egzamin z Metod Numerycznych ZSI, Egzamin, Gr. A

Algorytmy zwiazane z gramatykami bezkontekstowymi

Elementarna statystyka Wnioskowanie o regresji (Inference 2 czerwca for regression) / 13

Zagadnienia na wej±ciówki z matematyki Technologia Chemiczna

Matematyka stosowana i metody numeryczne

1 Równania nieliniowe

PRZYPOMNIENIE Ka»d przestrze«wektorow V, o wymiarze dim V = n < nad ciaªem F mo»na jednoznacznie odwzorowa na przestrze«f n n-ek uporz dkowanych:

Proste modele o zªo»onej dynamice

Obliczenia Naukowe. Wykład 12: Zagadnienia na egzamin. Bartek Wilczyński

wiczenie nr 3 z przedmiotu Metody prognozowania kwiecie«2015 r. Metodyka bada«do±wiadczalnych dr hab. in». Sebastian Skoczypiec Cel wiczenia Zaªo»enia

Materiaªy do Repetytorium z matematyki

Ekonometria - wykªad 8

Legalna ±ci ga z RRI 2015/2016

Oba zbiory s uporz dkowane liniowo. Badamy funkcj w pobli»u kresów dziedziny. Pewne punkty szczególne (np. zmiana denicji funkcji).

punkcie. Jej granica lewostronna i prawostronna w punkcie x = 2 wynosz odpowiednio:

Interpolacja. Marcin Orchel. Drugi przypadek szczególny to interpolacja trygonometryczna

x y

Pochodna funkcji jednej zmiennej

Podstawy matematyki dla informatyków. Funkcje. Funkcje caªkowite i cz ±ciowe. Deniowanie funkcji. Wykªad pa¹dziernika 2012

Macierze. 1 Podstawowe denicje. 2 Rodzaje macierzy. Denicja

Wprowadzenie Metoda bisekcji Metoda regula falsi Metoda siecznych Metoda stycznych RÓWNANIA NIELINIOWE

ANALIZA MATEMATYCZNA Z ALGEBR

Funkcje. Šukasz Dawidowski. 25 kwietnia 2016r. Powtórki maturalne

Mathematica jako narz dzie badawcze Cz ± pi ta. Fraktale

Matematyka licea ogólnokształcące, technika

Ukªady równa«liniowych

Elementy geometrii w przestrzeni R 3

Metody numeryczne i statystyka dla in»ynierów

Zadania. 4 grudnia k=1

CAŠKOWANIE METODAMI MONTE CARLO Janusz Adamowski

Rzut oka na współczesną matematykę spotkanie 3: jak liczy kalkulator i o źródłach chaosu

Przetwarzanie sygnaªów

Transkrypt:

Rozdziaª 13 Przykªadowe projekty zaliczeniowe W tej cz ±ci skryptu przedstawimy przykªady projektów na zaliczenia zaj z laboratorium komputerowego z matematyki obliczeniowej. Projekty mo»na potraktowa jako trudniejsze zadania laboratoryjne. Niektóre projekty s proste je±li chodzi o stron programistyczn. W przypadku wi kszo±ci takich projektów gªówn cz ±ci jest przetestowanie danej metody. Inne projekty mog polega na zaimplementowaniu bardziej skomplikowanej metody z wykorzystaniem ró»nych funkcji octave'a. 64

Interpolacja wielomianowa. Algorytm ró»nic dzielonych. 1. Zaprogramuj w octave funkcje obliczaj c warto±ci wielomianu zadanego w bazie Newtona dla danych w zªów zmodykowanym algorytmem Hornera dla danej tablicy punktów. Parametrami maj by : x tablica punktów - wektor dªugo±ci N z w zªami bazy Newtona, a wektor dªugo±ci N + 1 ze wspóªczynnikami wielomianu w bazie Newtona, N - stopie«wielomianu (mo»na opcjonalnie obliczy N z wektora wspóªczynników). Funkcja zwraca y tablice warto±ci wielomianu w punktach x. 2. Zaprogramuj funkcj obliczaj c ró»nice dzielone dla danych N + 1 w zªów i warto±ci funkcji w tych w zªach algorytmem ró»nic dzielonych (jak z tabelki ró»nic dzielonych). Parametry funkcji to: x wektor dªugo±ci N + 1 z ró»nymi w zªami y wektor dªugo±ci N + 1 z warto±ciami funkcji f w w zªach. Funkcja powinna zwróci wektor rd z ró»nicami dzielonymi rd(k) = f[x 0,..., x k ] dla k = 0,..., N. Czy mo»na to zrobi za pomoc tylko jednej p tli w octavie? 3. Testy: Interpolacja funkcji f(x) = sin(x) i g(x) = sin(4 x) na [ π, 2π] dla w zªów równoodlegªych i Czebyszewa. Porównanie algorytmu ró»nic dzielonych z algorytmem z funkcji octave'a polyt. Znajd¹ wielomiany interpolacyjne w w zªach Czebyszewa i równoodlegªych stopnia N dla N = 4, 8, 16, 32, 64 w bazie Newtona za pomoc funkcji z projektu i za pomoc funkcji polyt octave'a w bazie pot gowej. Oblicz dyskretn norm maksimum (na 1000 punktach) mi dzy wielomianem w bazie Newtona uzyskanym wªasn funkcj, a jej wielomianem interpolacyjnym uzyskanym polyt. Czy ró»nice s pomijalne? Bª d interpolacji 65

Oblicz dyskretn norm maksimum (na 1000 punktach) mi dzy funkcj, a jej wielomianem interpolacyjnym otrzymanym za pomoc funkcji z projektu dla N = 4, 8, 16, 32, 64. Narysuj wykresy funkcji i wykres jej wielomianu interpolacyjnego (na jednym rysunku). Warto± wielomianu w bazie Newtona obliczamy algorytmem Hornera z pierwszego podpunktu. 66

Równania nieliniowe. Metoda Steensena Zaprogramuj funkcj octave'a z metod Steensena zdeniowan wzorem x n+1 = x n - która ma znale¹ przybli»enie f(x ) = 0. Napisz funkcj : f(x n ) 2 f(x n + f(x n )) f(x n ) function [ x, i t ]= s t e f (FCN, x0 ) w m-pliku steff.m z parametrami: FCN - 'wska¹nik' do funkcji (function handle) obliczaj cej warto± f(x) dla danego argumentu x, x0 - liczba, przybli»enie startowe. Funkcja powinna zwraca x obliczone przybli»enie pierwiastka, it - ilo± iteracji. Funkcja powinna si zatrzyma, drukuj c komunikat o braku zbie»no±ci na ekranie komputera, gdy ilo± iteracji przekroczy 100. W przypadku przekroczenia ilo±ci iteracji funkcja ma zwróci komunikat o tym na ekran. Przetestuj metod Steensena z wykorzystaniem funkcji ste () na przykªadach równa«rozpatrywanych w zadaniach w Ÿ 8. W szczególno±ci nale»y sprawdzi, czy metoda zbiega kwadratowo lokalnie, o ile f (x ) 0 dla konkretnej funkcji f(x) = x 3 27. 67

Równania nieliniowe. Metoda Halleya Zaprogramuj funkcj octave'a z metod Halleya, która jest metod Newtona zastosowan do funkcji g(x) := f(x) f (x), która ma znale¹ przybli»enie f(x ) = 0. Wyprowad¹ wzór na kolejn iteracj metody Halleya, w którym b dziemy potrzebowa odwoªania tylko do warto±ci f, f i f. Napisz funkcj z metod Halleya 1 : function [ x, i t ]= h a l l e y (FCN,DFCN, D2FCN, x0 ) w m-pliku halley.m z parametrami: FCN - 'wska¹nik' do funkcji (function handle) obliczaj cej warto± f(x) dla danego argumentu x, DFCN - 'wska¹nik' do funkcji (function handle) obliczaj cej warto± pochodnej f (x) dla danego argumentu x, D2FCN - 'wska¹nik' do funkcji (function handle) obliczaj cej warto± drugiej pochodnej f (x) dla danego argumentu x, x0 - liczba, przybli»enie startowe. Funkcja powinna zwraca x obliczone przybli»enie pierwiastka, it - ilo± iteracji. Jako warunek stopu nale»y przyj warunek speªnienie, którego± z warunków f(x n ) < 10 7 lub x n+1 x n < 10 10. Funkcja powinna si zatrzyma, drukuj c komunikat o braku zbie»no±ci na ekranie komputera, gdy ilo± iteracji przekroczy 100. W przypadku przekroczenia ilo±ci iteracji funkcja ma zwróci komunikat o tym na ekran. Przetestuj metod Halleya z wykorzystaniem funkcji halley() na przykªadach równa«rozpatrywanych w zadaniach w Ÿ 8. W szczególno±ci nale»y sprawdzi, czy metoda zbiega kubicznie lokalnie, o ile f (x ) 0 dla f(x) = x 2 4 dla x = 2. 1 Tak, tego Halleya od komety Halleya. 68

Równania nieliniowe. Rozwikªywanie funkcji. Rozpatrzmy dan krzyw okre±lon równaniem f(x, y) = 0, gdzie funkcja f(x, y) jest okre±lona na prostok cie [a, b] [c, d]. Chcemy znale¹ przybli»one warto±ci funkcji y(x) zadanej w sposób uwikªany przez f(x, y(x)) = 0 w punktach x k = a + k h dla h = (b a)/n, znaj c dobre przybli»enie y(x 0 ) = y(a) = y0. Tutaj N - to ustalona liczba naturalna. Napisz funkcj (w m-pliku) octave'a, która dla danych parametrów FCN wska¹nika do funkcji dwóch argumentów f(x, y), ustalonych a, b - ko«ców odcinka y0 b d cego przybli»eniem y 0 N ilo±ci punktów, w których chcemy znale¹ przybli»enie y k y(x k ) - ten parametr mo»e by opcjonalny. Je±li nie zostanie podany to powinien przyjmowa domy±ln warto± sto. Funkcja powinna zwróci jako wektor y k = y(x k ) dla k = 0,..., N. W ka»dym kroku trzeba rozwi za, u»ywaj c funkcji octave'a fsolve ()), równanie nieliniowe: g(y k ) = f(x k, y k ) = 0 bior c za startowe przybli»enie y k 1 (obliczone w poprzednim kroku dla k 1). Je±li si oka»e,»e fsolve() nie potra rozwikªa funkcji powinien na ekranie pojawi si komunikat o bª dzie. Testowa na dwóch przykªadach: Fragment elipsy: f(x, y) = 2 x x + y y 4. Interesuje nas tu y(x) na [ 1.5, 1.5] na siatce 101 punktowej. Za y0 mo»emy wzi y0 = 1 g(x, y) = x 3 + y 3 4 na [0, 1] [0, 1]. 69

Metoda Householdera. LZNK Zaªó»my,»e w wyniku do±wiadczenia otrzymujemy m punktów (x k, y k ), które powinny le»e na jednej prostej, ale w wyniku bª dów pomiaru le» tylko blisko prostej. Chcemy wyznaczy prost y = ax + b, która le»y najbli»ej tych punktów w sensie najmniejszych kwadratów, tzn. takie a, b,»e suma m ax k + b y k 2 k=1 jest minimalna. To zadanie mo»emy przedstawi jako odpowiednie regularne LZNK. Je±li istniej dwa punkty o ró»nych odci tych, to LZNK ma jednoznaczne rozwi zanie. Celem projektu jest zaprogramowanie funkcji rozwi zuj cej problem znalezienia wspóªczynników prostej y = ax + b najlepiej przybli»aj cej dane punkty (x k, y k ) k = 1,..., m za pomoc rozkª du QR macierzy przy pomocy metody Householdera. Tzn. szukamy (a, b) takich,»e m k=1 ax k + b y k 2 = min â,ˆb m âx k + ˆb y k 2. Czyli: w funkcji rozwi zujemy LZNK A [a; b] y z macierz dla wektorów i wektora prawej strony A = [ x, 1] k=1 1 1 = 1., 1 x 1 x 2 x =. x m y = y 1 y 2. y m. Jako parametry wej±ciowe funkcji traktujemy wektory x, y dªugo±ci m, funkcja powinna zwraca : 70

wektor [a; b] z rozwi zaniem tego LZNK, macierz A z LZNK macierz górnotrójk tn R wymiaru 2 2 z rozkªadu QR macierzy A metod Householdera, tzn. A = Q [R; 0], dwukolumnow macierz B = [ h 1, h 2 ] wymiaru m 2 - w której odpowiednie kolumny to wektory Householdera h k k = 1, 2 dla macierzy Householdera H k takich,»e H 1 H 2 = Q. Je±li kolumny macierzy A oka» si zale»ne liniowo - funkcja ma zwróci odpowiedni komunikat na ekran. Testy: 1. Przetestuj dla dwóch ró»nych punktów z ró»nymi x k - czy znajdzie prost przechodz c przez te punkty. 2. Przetestuj dla punktów le» cych na prostej: tzn. wygeneruj kilka ró»- nych losowych punktów x k i przyjmij y k = 2 x k 10. Nast pnie sprawd¹, czy funkcja zwróci a = 2, b = 10. 3. Przetestuj dla punktów le» cych blisko danej prostej: tzn. przyjmij np. x k = k/m dla k = 1,..., m dla ró»nych m > 1 z y k = x k + 2 + ɛ k dla ɛ k losowego z przedziaªu [ 10 3, 10 3 ] (funkcja octave'a rand() zwraca losowe punkty z przedziaªu [0, 1]). 4. Sprawd¹, czy rzeczywi±cie dla otrzymanych wektorów Householdera i macierzy R, A zachodzi A = H 1 H 2 [R; 0], np. dla przykªadów z poprzednich podpunktów. W tym celu mo»na stworzy macierze H k i [R; 0] i te trzy macierze wymno»y. 71